植物地球化學(xué)找礦中有效指示元素和有效指示植物的選擇方法－以黑龍江多寶山銅成礦區(qū)為例

姜 濤，賈大成，陳圣波，包國章，高 文，張 瀟，毛永新

(1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130061;2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春 130061)

目前國內(nèi)外植物地球化學(xué)找礦實踐表明，在多種特殊景觀區(qū)，運用植物地球化學(xué)找礦具有良好的效果(陳代演等，2000;宋慈安等，2001;宋慈安等，2009;韋雪姬等，2011)。位于大興安嶺西北部的黑龍江多寶山成礦區(qū)，第四系覆蓋厚，地表植被發(fā)育，露頭稀少，給常規(guī)化探工作帶來諸多不利因素。目前在大興安嶺地區(qū)某金礦和內(nèi)蒙古東部某鉛鋅礦進(jìn)行了植物化探找礦方法研究(權(quán)恒等，1998)，而在黑龍江多寶山成礦區(qū)尚未進(jìn)行過植物地球化學(xué)找礦工作，對該區(qū)的植物找礦指標(biāo)缺少系統(tǒng)的研究，如何選擇有效指示元素和有效指示植物是開展植物地球化學(xué)找礦的關(guān)鍵因素。為此，以黑龍江多寶山成礦區(qū)為例，在分析巖石、土壤和植物中元素地球化學(xué)特征及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，探討植物地球化學(xué)找礦中有效指示元素和有效指示植物的選擇方法，旨在為在森林沼澤景觀區(qū)開展植物地球化學(xué)找礦工作提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 黑龍江多寶山銅成礦區(qū)景觀條件及植物群落

位于大興安嶺中山向低山丘陵過渡地帶的多寶山銅成礦區(qū)，地處亞寒帶，有十分強烈的凍融風(fēng)化作用，在不同地段的坡谷之中散布著島狀凍土，局部有“石?！?，地形平緩，谷地多為沼澤化濕地。特殊環(huán)境使當(dāng)?shù)氐谋韺油寥缽V泛覆蓋，厚2～3 m，巖石露頭稀少。土壤中有較大的有機質(zhì)含量，在A層中有機質(zhì)含量高達(dá)到25%，且土壤厚度大，植物的根系也不同程度地發(fā)育在B、C層土壤中，構(gòu)成森林沼澤覆蓋景觀環(huán)境。在森林沼澤覆蓋景觀和植被發(fā)育條件下，土壤剖面中除A層土壤中有機質(zhì)發(fā)育外，在B、C層土壤中發(fā)育的植物根系也使有機質(zhì)含量增多，由于植物根系對某些元素的吸收會使B、C層中某些元素豐度下降，因此土壤中有機物對元素的強烈吸附作用影響著元素在土壤中的正?；瘜W(xué)行為，加之野外土壤化探取樣深度的不一致和取樣深度不夠等原因，往往使某些地段的土壤化探“異常”失去了其真實性(權(quán)恒等，1998)。

多寶山銅成礦區(qū)地表植被發(fā)育，森林覆蓋，經(jīng)植物樣方調(diào)查，該區(qū)屬于興安嶺植物群落，多生長落葉松、白樺、山楊及櫟樹等深根喬木、灌木和草本植物。以白樺、蒙古櫟為優(yōu)勢樹種，全區(qū)均有分布，落葉松和山楊為局部優(yōu)勢樹種，分布不均，呈孤島狀分布于低山地帶。

在森林沼澤覆蓋景觀區(qū)和植被發(fā)育條件下，植物地球化學(xué)測量具有一定優(yōu)勢。隱伏礦體及其周圍的礦化原生暈，經(jīng)過長期的表生地球化學(xué)作用，在滲透作用、濃度擴散、毛細(xì)管作用及在自然電場、納米氣體運移等因素的綜合作用下，與礦化有關(guān)的元素部分地進(jìn)入到地下溶液，被遷移到地表附近，在礦體上方或礦體附近形成高濃度的離子暈或水化學(xué)暈。只要植物根系達(dá)到該暈圈范圍，就有可能形成植物地球化學(xué)異常。由于植物根系在土壤中分布廣、扎得較深，其結(jié)果就有可能克服森林覆蓋區(qū)土壤化探的局限性和片面性，而反映出更真實可靠的特征。同時植物化探異常所反映的不只是其根系所涉及的范圍，而是根系之下幾米甚至更深處的元素地球化學(xué)行為。已知利用植物地球化學(xué)方法探測的礦體深度不僅包括了地表露頭礦化，而且可以反映出埋藏20～500 m深處的盲礦體(宋慈安等，2009)。

2 植物取樣及工作方法

2.1 植物樣品布置和工作量

多寶山銅成礦區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)多寶山、銅山、爭光大型礦床3處，中、小型礦床多處，為了探討銅礦區(qū)植物地球化學(xué)特征，以多寶山和銅山兩個大型斑巖型銅礦為典型礦床，分別在兩礦床的礦體上部采樣，礦區(qū)一共設(shè)計了8個采樣點(圖1)，為了方便對比礦區(qū)的植物地球化學(xué)異常，除了在多寶山成礦區(qū)取樣外，在礦物外圍50 km2范圍內(nèi)的呼瑪?shù)貐^(qū)也進(jìn)行取樣，作為成礦區(qū)植物地球化學(xué)的對照區(qū)，在對照區(qū)設(shè)計了13個采樣點(圖1)。

2.2 取樣方法

在每個采樣點按礦體、巖石殘積層、土壤C層、土壤B層、土壤A層，以及其上部的植物，包括喬木、灌木和草本植物分別取樣，主要包括白樺、蒙古櫟、落葉松、紅松、胡枝子、羊胡子草等植物。對每種植物分根、莖(0～30 cm)、葉分別進(jìn)行采集，采集的植物樣品用保鮮袋封存，放置于恒溫箱內(nèi)保存，野外采樣結(jié)束后送國土資源部哈爾濱礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進(jìn)行分析。植物樣品與成礦有關(guān)元素含量比較低，因此采用ICP-MS方法分析元素含量，分析元素為 Cu、Au、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W、Bi、Hg、As、Sn、Ni。由于元素在植物中的分布是不均勻的，在不同器官中含量差別較大，元素在植物器官中含量差異一般主要體現(xiàn)在根、莖、葉三大部分，為了體現(xiàn)植物中元素總體含量特征，本文采用根、莖、葉的平均含量代表植物的含量。

2.3 土壤與植物元素含量特征關(guān)系

將多寶山礦區(qū)巖石、土壤和各種植物進(jìn)行相關(guān)分析，通過相關(guān)分析可以看出，土壤A層與土壤B層、土壤B層與土壤C層、土壤C層與巖石相關(guān)系數(shù)分別為 0.528、0.643、0.994，而植物白樺和胡枝子與土壤A層Cu相關(guān)系數(shù)分別為0.697和0.915(表1)，密切相關(guān)，由此表明指示植物中Cu的含量主要來自土壤A層，而土壤A層Cu的含量與深部土壤和巖石關(guān)系密切，因此植物元素含量的特征和土壤元素含量的特征都可以作為找礦依據(jù)。

表1 多寶山成礦區(qū)巖石、土壤和有效指示植物Cu相關(guān)系數(shù)表Table 1 Correlation analysis of rocks，soil and effective indicator plants in the Duobaoshan copper ore district

3 有效指示元素和有效指示植物的選擇方法

選擇有效指示元素和有效指示植物，首先考慮主成礦元素及其伴生元素;其次通過對植物、巖石和土壤的相關(guān)分析，選出與植物相關(guān)性好的元素;然后以多指標(biāo)方法選擇有效指示植物及有效指示元素。選擇的指標(biāo)包括植物地球化學(xué)異常襯度系數(shù)(KCD)、組合襯度系數(shù)(ZKCD)以及屏障系數(shù)(KPZ)。

3.1 有效指示元素的選擇

在多寶山銅成礦區(qū)，Cu為主成礦元素，伴生元素為 Au、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W、Bi、Hg、As、Sn、Ni。通過土壤中元素相關(guān)分析，得出Cu與Au、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W、Bi、Hg、As、Sn、Ni的相關(guān)系數(shù)分別為0.81、0.72、0.62、0.55、0.52、0.50、0.44、0.28、0.15、0.09、0.06 和 －0.14。以相關(guān)系數(shù)大于0.40 為基準(zhǔn)，得出成礦元素 Cu 與 Au、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W 密切相關(guān)，由于植物與土壤中元素含量的正相關(guān)性，因此可以考慮 Cu、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W 為有效指示元素，另外由于Au在植物中含量低于檢測限排除在外。對比不同植物內(nèi)的 Cu、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W 在礦區(qū)與對照區(qū)分布情況，礦區(qū)白樺、蒙古櫟、落葉松、紅松、胡枝子、羊胡子草等體內(nèi) Cu、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W 元素大多含量明顯高于對照區(qū)相應(yīng)植物，僅Ag、Pb、W在個別植物中存在反?，F(xiàn)象(圖2)，因此出在礦區(qū)這些植物的元素含量可以形成植物地球化學(xué)異常。

圖1 礦區(qū)與對照區(qū)采樣位置分布圖(底圖為1∶20萬水系沉積物Cu異常等值線圖，據(jù)趙元藝等，2011改編)Fig.1 Sampling location of the Duobaoshan copper ore district and contrast area(base map is 1∶200000 Cu anomaly contour map of stream sediments，modified from Zhao et al.，2011)

圖2 成礦區(qū)與背景區(qū)不同植物中成礦元素含量對比圖(ω(Ag)/10－9;ωB/10－6)Fig.2 Comparison of metallogenic element content in background area and Cu metallogenic field

3.2 有效指示植物的選擇

3.2.1 植物地球化學(xué)異常襯度系數(shù)(KCD)

評價植物地球化學(xué)異常最主要的參數(shù)是植物地球化學(xué)異常的襯度，它反映了植物地球化學(xué)異常的清晰度(宋慈安等，2010)，根據(jù)襯度系數(shù)(KCD)的概念，即:

式中:C為成礦區(qū)(或地球化學(xué)異常區(qū))某植物種屬中某元素的平均值;C0為成礦區(qū)外圍(或地球化學(xué)背景區(qū))某植物種屬中某元素的平均值。

將多寶山成礦區(qū)作為成礦區(qū)，將呼瑪對照區(qū)作為成礦區(qū)外圍，所測植物中Cu的襯度系數(shù)均大于1，除落葉松Ag、Zn元素及羊胡子草Pb元素外，其它相關(guān)元素的襯度系數(shù)也都大于1(表1)。該值越大，植物地球化學(xué)異常的清晰度越好，作為指示植物越好。宋慈安等(2010年)對熱帶雨林區(qū)的西雙版納南坡銅礦進(jìn)行植物調(diào)查時，認(rèn)為植物中某元素KCD≥5可做為有效指示植物。襯度系數(shù)根據(jù)具體選擇的礦區(qū)與對照區(qū)的差異有不同的標(biāo)準(zhǔn)，對多寶山成礦區(qū)而言，選擇KCD≥2為基準(zhǔn)，白樺和胡枝子Cu 的 KCD≥2，并且 Cu、Mo、Co、Pb、Ag 這五個元素的KCD普遍比較大，可視為有效指示植物。

3.2.2 植物地球化學(xué)異常組合襯度系數(shù)(ZKCD)

某植物單一元素的指標(biāo)KCD，沒有考慮到成礦元素與伴生元素間的關(guān)系，并且不同種植物對不同元素可能存在偏好性，均會影響KCD指標(biāo)的準(zhǔn)確性，所以利用組合襯度系數(shù)(ZKCD)概念，來反映某種植物地球化學(xué)總體異常特征，組合襯度系數(shù)(ZKCD)即:

式中:(KCD)0為主成礦元素的襯度系數(shù);(KCD)i為相關(guān)元素的襯度系數(shù);ri為相關(guān)元素的相關(guān)系數(shù);n為相關(guān)元素的個數(shù);μ為主成礦元素的系數(shù)(μ≥n)。

作為選擇有效指示植物的依據(jù)是ZKCD值越大，植物地球化學(xué)異常越清晰。計算結(jié)果多寶山成礦區(qū)所采植物ZKCD，得出白樺和胡枝子的ZKCD比較高，均大于15(表2)，與白樺和胡枝子KCD值的指示意義相吻合，適合作為有效指示植物。而落葉松ZKCD卻排在第五位，即使其Cu的KCD排在第三位，卻也不適合作為有效指示植物。因此可以看出，組合襯度系數(shù)比元素襯度系數(shù)在選擇有效指示植物方面更有確切的指示意義。

3.3 屏障系數(shù)(KPZ)

根據(jù)植物地球化學(xué)屏障系數(shù)(KPZ)概念(宋慈安等，2010)，屏障系數(shù)(KPZ)即:

式中:K0為成礦區(qū)外圍(或巖石、土壤地球化學(xué)背景區(qū))某植物對某元素的吸收率;KYC為成礦區(qū)(或巖石、土壤地球化學(xué)異常區(qū))某植物對某元素的吸收率。

表征了背景區(qū)和異常區(qū)植物吸收率差別的KPZ，既反映土壤和植物之間的相關(guān)性，又反映植物地球化學(xué)障的大小，可作為植物地球化學(xué)評價的輔助指標(biāo)。該值越大，植物地球化學(xué)屏障效應(yīng)越大，與土壤間相關(guān)性越小;反之植物地球化學(xué)屏障效應(yīng)越小，與土壤間相關(guān)性越大。由于植物異常主要來自其下的土壤，因此屏障系數(shù)越小，越有利于作為有效指示植物。在多寶山成礦區(qū)多數(shù)植物的KPZ值小于1(表2)，表明植物中元素主要來源于其下的土壤。如果將Cu的KPZ值小于0.5作為選擇標(biāo)準(zhǔn)，則白樺和胡枝子可以作為有效指示植物，與KCD和ZKCD指標(biāo)選擇的有效指示植物吻合。

4 結(jié)論

在森林沼澤景觀區(qū)進(jìn)行植物地球化學(xué)找礦具有一定優(yōu)勢，在植物地球化學(xué)找礦中，有效指示元素和有效指示植物是主要評價指標(biāo)，對其選擇至關(guān)重要。有效指示元素的選擇首先要確定主成礦元素和伴生元素;其次植物中元素異常是土壤異常的繼承和延展，與土壤地球化學(xué)異常關(guān)系密切;三是能夠形成清晰的植物地球化學(xué)異常，具有較高的襯度系數(shù)。有效指示植物的選擇要綜合考慮各種指標(biāo)，襯度系數(shù)(KCD)、組合襯度系數(shù)(ZKCD)、屏障系數(shù)(KPZ)等是比較實用的指標(biāo)，對選擇有效指示植物具有比較明確的意義。在黑龍江多寶山成礦區(qū)進(jìn)行植物地球化學(xué)找礦時，Cu 及 Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W 等可作為有效指示元素，白樺和胡枝子可作為有效指示植物。

表2 黑龍江多寶山銅成礦區(qū)植物地球化學(xué)系數(shù)表Table 2 Phytogeochemical coefficients in the Duobaoshan copper metallogenic field

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